Большой взрыв и неисчерпаемость Вселенной

Ньютоновская классическая физика, как уже говорилось, рассматривала пространство как вместилище тел. Никакого взаимодействия между телами и пространством по Ньютону и быть не могло.

В 1916 г. Альберт Эйнштейн опубликовал основы общей теории относительности. Одна из главных ее идей состоит в том, что материальные тела, в особенности большой массы, заметно искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света, проходящий вблизи Солнца, изменяет первоначальное направление примерно на 2".

Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части Вселенной материя равномерно "размазана" в пространстве и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, но даже замкнет его "на себя". Вселенная (точнее, выделенная ее часть) превратится в замкнутый мир, напоминающий обычную сферу. Но только это будет четырехмерная сфера, или гиперсфера, представить себе которую мы, трехмерные существа, не в состоянии. Однако, мысля по аналогии, мы легко разберемся в некоторых свойствах гиперсферы. Она, как и обычная сфера, имеет конечный объем, заключающий в себе конечную массу вещества. Вокруг земного шара можно совершить кругосветное путешествие. Теоретически такие путешествия вполне мыслимы и в замкнутой Вселенной. Если в мировом пространстве лететь все время в одном направлении, то через некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.

Идею о возможности замкнутости Вселенной^* впервые высказал Альберт Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман доказал, что "замкнутая Вселенная" Эйнштейна никак не может быть статичной. В любом случае ее пространство или расширяется, или сжимается со всем своим содержимым. Еще раньше, в 1917 г., было открыто знаменитое красное смещение в спектрах галактик. Если его рассматривать как доплеровский эффект, получается, что галактики "разбегаются" от Земли, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию. Не следует думать, что Земля является каким-то особенно приметным центром мироздания, от которого все галактики стремятся уйти как можно дальше. Расширяется все пространство, так что эффект разбегания виден из любой его точки. Представьте себе раздувающийся мыльный пузырь с осевшими на нем пылинками: расстояние между любыми из них все время растет. Так ведут себя и галактики.

^* ( Здесь и дальше под Вселенной мы будем понимать лишь выделенную ее часть, а не все сущее. )

Уже в послевоенные годы была разработана обстоятельная теория расширяющейся Вселенной (изложенная в монографиях и популярных книгах^*).

^* (См.: Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1983. )

Так как Вселенная расширяется, естественно думать, что раньше она была меньше и когда-то все пространство было сжато в математическую точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики описан быть не может. По неизвестным причинам произошел процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала расширяться.

В 1965 г. было открыто слабое фоновое радиоизлучение с максимумом на волне около 1 мм. Оно оказалось тепловым, одинаковым по интенсивности во всех направлениях и соответствующим температуре около 3 К. Его назвали реликтовым, и большинство астрономов считают его остатком того горячего излучения, которое когда-то царило в мире.

По теории расширяющейся Вселенной, ее эволюция происходила так. Самое начало (т. е. сингулярность) пока недоступно исследованию, так как при этом все главные параметры Вселенной (плотность, температура и т. п.) обращаются в бесконечность. Однако, зная скорость расширения Вселенной, можно подсчитать, когда все это происходило. Оказывается Большой взрыв был 15-20 млрд. лет назад. Спустя всего 10^-44 с после взрыва плотность Вселенной упала до 10⁹⁶ кг/м³. Температура в этот момент была чудовищно высокой - 10³² К! Уже в первую секунду жизни Вселенной начались интенсивные процессы взаимопревращения частиц и квантов излучения. Возникали протоны, нейтроны и другие частицы, подверженные сильным взаимодействиям. К концу первой секунды образуется множество нейтрино - нейтральных частиц с исчезающе малой массой.

Через 10 с после взрыва температура становится равной "всего" 10 млрд. Кельвинов и начинается "эра излучения", в которой фотоны по численности становятся преобладающими.

Спустя 100 с после "начала" начинаются первые процессы образования ядер элементов, в частности водорода и гелия. Прошел еще миллион лет, и наступила "эра вещества", когда из очень горячей водородно-гелиевой плазмы с ничтожной примесью других элементов начинает складываться современный мир. Однако звезды и галактики появляются в нем еще спустя миллиард лет, но тогда уже Вселенная мало чем отличается от современной. Таково в общих чертах прошлое Вселенной по теории Большого взрыва.

Какое же будущее ожидает расширяющуюся Вселенную? Все зависит от средней плотности ее вещества. Если она больше так называемой критической плотности (10^-32 кг/м ), то расширение через несколько десятков миллиардов лет сменится сжатием и возвращением в новое сингулярное состояние. Возможно, что циклы "сжатие - расширение" повторяются много раз, а до "начала" Вселенная уже испытала много таких циклов. Если плотность вещества равна критической, пространство Вселенной получается неискривленным, бесконечным, евклидовым и, разумеется, расширяющимся. Наконец, при плотности меньшей критической пространство Вселенной бесконечно, но искривлено, и при этом оно также неограниченно расширяется. Представьте себе резиновый прямоугольный лист, который растягивается во все стороны. При этом, конечно, меняются и все взаимные расстояния между пылинками на резине. Расширьте теперь мысленно этот лист резины во все стороны до бесконечности, и вы получите модель открытого бесконечного мира с расширяющимся пространством.

По современным измерениям средняя плотность вещества во Вселенной равна 10^-34 кг/м³, что соответствует открытым моделям и, следовательно, рассеянию вещества в бесконечности. Если удастся доказать, что масса нейтрино отлична от нуля и в 20 000 раз меньше массы электрона, то это изменит оценку средней плотности до значения, превышающего критическое. Тогда расширение сменится сжатием.

Но является ли теория расширяющейся Вселенной окончательным словом науки, исключающим любые другие космологические модели? Далеко не сразу идея о расширении Вселенной приобрела ту популярность, которой она пользуется сегодня. На протяжении почти четырех десятилетий ее сторонников обвиняли в идеализме, в распространении поповщины и мракобесия. Эти упреки, разумеется, были несправедливы. Материалист обязан принимать мир таким, каков он есть. ..."Единственное "свойство" материи, с признанием которого связан философский материализм, - писал В. И. Ленин,- есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания"^*. Так что мир мог бы быть и таким, каким его рисуют сторонники расширяющейся Вселенной. Другой вопрос - таков ли он на самом деле.

^* (Лении В. И. Поли. собр. соч.- Т. 18.- С. 275. )

Прежде всего заметим, что разбегание галактик не обязательно требует для своего объяснения общей теории относительности Эйнштейна. В рамках обычной ньютоновской механики легко показать, что любая система материальных тел не будет статичной. Она неизбежно начнет расширяться, если ее полная энергия положительна, или сжиматься, если она отрицательна. Временное расширение может смениться сжатием, если средняя плотность вещества больше критической, или неограниченным расширением в противном случае. Словом, наблюдаемые факты можно объяснить и по Ньютону.

Предположения об однородности и изотропности Вселенной (т. е. одинаковости ее свойств во всех точках пространства) есть идеализация действительности. И внутри галактик, и в межгалактическом пространстве вещество распределено крайне неравномерно (вспомните, например, о громадных областях пространства, где нет ни одной галактики), поэтому расчеты, основанные на допущениях однородности и изотропности Вселенной, не могут быть вполне убедительными.

Красное смещение в спектрах галактик есть наблюдаемый факт, но объяснять его можно по-разному. Существует немало вариантов недо-плеровского объяснения красного смещения. Одно из них - рассеяние фотонов на тепловом излучении звезд. Энергия фотонов при этом теряется пропорционально пройденному расстоянию.

Не обязательно считать реликтовое излучение остатком "первичного жара". Фоновое излучение может трактоваться как остаток излучений (после его старения) объектов, находящихся за пределами видимой части Вселенной. Фон реликтового излучения во всех направлениях одинаков, и его можно принять за некоторую абсолютную систему отсчета. В 1977 г. удалось измерить скорости галактик относительно реликтового фона. Они оказались ничтожно малыми (сотни километров в секунду!) по сравнению с теми, которые получаются по теории расширяющейся Вселенной (десятки тысяч километров в секунду).

"Моделям однородной Вселенной,- пишут ученые В. А. Амбарцумян и В. В. Казютинский,- противостоит реальная Вселенная, фундаментальным свойством которой является неоднородность распределения вещества. Пренебрегать этим фактом нельзя. Отсюда следует, что модели Вселенной, построенные на столь грубом упрощении, как предположение об однородном распределении вещества, едва ли стоит фетишизировать. Многие следствия этих моделей отнюдь не заслуживают доверия"^*.

^* (Философские проблемы астрономии XX века.- М.: Наука, 1976. - С. 40. )

Ни одна частная наука, например астрономия, не знает достоверно, каков мир в целом. Основываясь на достижениях всех наук, философия может по этому вопросу высказывать лишь более или менее правдоподобные предположения. Понятия неисчерпаемости и бесконечности материи меняются с развитием науки. В настоящее время все больше и больше чаши весов склоняются в пользу идей о множестве миров с разными типами пространств и времен. Этот неисчерпаемый во всех отношениях мир, безусловно, познаваем средствами науки и практики. "Мысль человека,- указывал В. И. Ленин,- бесконечно углубляется от явления к сущности, от сущности первого, так сказать, порядка, к сущности второго порядка и т. д. без конца"*.